بررسی آزمایشگاهی تأثیر میکرو نانو حباب در حضور فوق روان کننده بر زمان گیرش و مقاومت فشاری ملات سیمان

چکیده

یکی از جدیدترین نوآوری‌های فناوری نانو استفاده از میکرو نانو حباب‌ها (میناب) به عنوان جایگزین آب در بتن می‌باشد. استفاده از میناب به عنوان جایگزین آب مصرفی در بتن می‌تواند در خصوصیات بتن اثرات ویژه‌ای داشته باشد. که بعضاً این اثرات می‌تواند در جهت بهبود یا تضعیف خصوصیات بتن سخت شده و بتن در حالت خمیری باشد. با توجه به مشخصات فوق روان کنننده‌ها، استفاده از آن‌ها می‌تواند نقش موثری در کاهش اثرات بعضاً منفی میناب در خصوصیات بتن داشته باشد. در این پژوهش به منظور بررسی اثرات جایگزین میناب با آب در بتن در حضور درصدهای مختلف روان کننده در مرحله‌ی اول تأثیر میناب بر زمان گیرش، جریان ملات سیمان و مقاومت فشاری ملات سیمان بررسی می‌گردد. بدین منظور تعداد 16 نمونه آزمایشگاهی سوزن ویکات، 48 نمونه آزمایشگی ملات فشاری سیمان و 16 نمونه جریان ملات سیمان به ترتیب به منظور بررسی زمان گیرش، مقاومت فشاری و جریان سیمان با درصدهاهی مختلف فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات اتر (1.4,0.9,0.5) در حضور و عدم حضور میناب آزمایش شد. نتایج نشان می‌دهد که فوق روان کننده باعث شد زمان گیرش افزایش چند ساعته بیابد و فوق روان کننده توانست کاهش جریان ملات سیمان با میناب را بهبود ببخشد. همینطور مقاومت فشاری با میناب نسبت به آب در سنین 7 و 28 روز افزایش داشت. مقاومت فشاری ملات سیمان با میناب در حضور فوق روان کننده نسبت به ملات سیمان با آب در حضور فوق روان کننده در سنین 7 و 28 روز افزایش داشته است که بیشترین مقاومت در 0.5 درصد فوق روان کننده رخ داد که در سن 7 روز 21 درصد افزایش و در سن 28 روز 10 درصد افزایش داشتیم.

مقدمه

تکنولوژی نانو توسط ریچارد فیمن و مقاله معروف آن در سال 1959 با نام “اتاق‎‌های زیادی در کف وجود دارد” معرفی گردید. نانو تکنولوژی یک شاخه نوظهور در علم است که در ارتباط با فهمیدن و کنترل کردن مواد در ابعاد نانو می‌باشد. به طور مثال به مواد در ابعاد بین تقریبا 1 تا 100 نانومتر، نانو مواد گفته می‌شود. نوآور بودن فناوری نانو به طور چشمگیری، نوآوری فناوری سایر صنایع را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد. این امر فناوری نانو را به یک فناوری عام تبدیل می‌کند که در آن دگرگون‌سازی خلاقانه وجود داشته و نوآور بودن بسیار حایز اهمیت است. در صنعت ساخت و ساز طیف وسیعی از مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند که بسته با کاربردشان بایستی دارای خواص ویژه‌ای باشند. پس از موفقیت نانو سیلیس، بسیاری از نانو ذرات برای استفاده در بتن توسعه داده شدند، نانو آلومینا، نانو لوله کربنی و پلی کربوکسیلات و نانو کائویلن و میناب از نمونه نانو موادی مصرفی در بتن هستند. برای بهبود کیفیت بتن سخت شده، کاهش نسبت آب به سیمان از ابتدای قرن بیستم در دستور کار ساخت بتن پایاتر و مقاومتر و با نفوذپذیری کمتر بوده و می‌باشد. همواره این کاهش W/C به کاهش کارآیی و روانی بتن منجر می‌شد و تضادی وجود داشت که حل آن در گرو تغییر روش‌های ساخت و اجرا بود اما تا به کارگیری مواد کاهنده آب (روان کننده) تحول اساسی و عظیمی رخ نداد. استفاده همزمان از چند ماده نانو و فوق روان کننده‌ها در بتن باعث بهبود مشخصات بتن گردیده است. که در ادامه به مطالعات برخی از پژهشگران در موارد استفاده از نانو مواد و فوق روان کننده‌ها می‌پردازیم.

پژهش های اخیر

افزودن نانو سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش و کاهش نفوذپذیری آب درون بتن و همچنین مقاومت بالاتر در برابر حمله‌های شیمیایی می‌شود. آزمایش‌هایی که بر روی نانو سیلیس انجام شده، نشان داده‌اند که این ذرات نه تنها برای محیط زیست مشکل‌ساز نیستنند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکروسیلیس ارائه می‌کنند. در استفاده 5% ای نانو سیلیس در بتن با عملکرد خیلی بالا، اسلامپ از 33.75 سانتی متر به طول قابل توجه‌ای به 22.5 سانتی‌متر کاهش می‌یابد، که منجر به کاهش کارایی بتن می‌شود.

السید عبدل رئوف و همکاران در سال 2014 نشان دادند که با اضافه کردن 0.4 و 0.8 درصد فوق روان کننده‌ی پلی کربوکسیلیک نسبت به وزن سیمان به ازای صفر تا 3 درصد نانو سیلیکا مقاومت فشاری افزایش می‌یابد.

حبشی و احدیان در سال 2014 نشان دادند 0.4 درصد نانو سیلیکا و 0.8 درصد فوق روان کننده از مقدار سیمان، مقاومت فشاری و خمشی 7، 28 و 42 روزه بتن افزایش می‌دهد.

در سال 2015 شیخ و ساپیت نشان دادند که حضور فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات و نانو رس و نانو سیلیکا مقاومت‌های اولیه ملات سیمان را 26 تا 28 درصد افزایش می‌دهد.

با بهبود بخش دمایی، با افزایش دما از 25 تا 450 درجه سانتی گراد، در استفاده‌های 0،1 و 2 % ای وزنی نانو آلومینا در عدم حضور فوق روان کننده، افزایش مقاومت فشاری 10.89%، 31.03% و 20.33% و افزایش مقاومت فشاری 25.22%، 45.74%، 28.49% در حضور فوق روان کننده به دست آمده است.

طبق آزمایش‌های نظری و همکارانش، بکارگیری حداکثر 2% nano-fe203 در بتن باعث کاهش زمان گیرش اولیه و نهایی بتن و افزایش مقاومت کششی و خمشی آن می‌گردد. درصد بهینه برای افزایش مقاومت خمشی و کششی 1% است که بیشترین مقاومت را باعث می‌شود. افزایش مقاومت خمشی به دلیل مصرف سریع Ca(OH)2 که در طی هیدارتاسیون سیمان پرتلند شکل گرفته است.

طبق آزمایش‌های انجام شده عارفی و همکاران، با افزودن میناب، اسلامپ بتن کاهش می‌یابد. مقاومت فشاری، کششی، خمشی بتن افزایش می‌یابد و زمان گیرش اولیه و ثانویه سیمان را کاهش می‌دهد.

در این پژوهش قصد داریم تأثیر همزمان میناب و فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات اتر در سه درصد 0.5 و 0.9 و 1.4 نسبت به وزن سیمان بر مقاومت فشاری ملات سیمان و زمان گیرش بررسی کنیم.

مواد و روش‌ها

برای مطالعه تأثیر همزمان میناب و فوق روان‌کننده یکسری آزمایش در مقیاس آزمایشگاهی طراحی و اجرا شده است و تمامی آزمایش‌ها در آزمایشگاه بتن و مصالح ساختمانی دانشگاه صنعتی شاهرود انجام شده است. ابتدا آزمایشات با آب معمولی انجام شده سپس با میناب انجام می‌شود و با هم مقایسه می‌شود. مواد استفاده شده در این پژوهش به شرح زیر می‌باشد:

1. سیمان: سیمان پرتلند تیپ 2 مطابق استاندارد 389 ملی ایران ساخته شده توسط شرکت سیمان شاهرود برای ساخت ملات و خمیر سیمان استفاده شده است.

2. آب: آب استفاده شده در این تحقیق از آب لوله کشی شهری شهرستان شاهرود می‌باشد. میناب به روش هیدرودینامیکی توسط Iranian patent #83998 تولید می‌شود و مورد استفاده قرار گرفت. که مشخصات فیزیکی و شیمیایی آب و میناب در جدول 1 نشان داده شده است.

3. مصالح سنگی: ماسه به کار رفته شده در ملات سیمان سیلیسی می‌باشد، که عبوری از الک 30 و مانده روی الک 50 می‌باشد و دانه‌بندی آن مطابق استاندارد ASTM C778 است.

4. افزودنی کاهنده آب: افزودنی مورد استفاده از نوع فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات اتر با وزن مخصوص 1.1 کیلوگرم بر لیتر و از افزودنی‎‌های نوع G مطابق ASTM C494 و استاندارد ملی ایرانی ISIRI 2930 می‌باشد.

آزمایش‌های بر روی سیمان: ابتدا با استفاده از استاندارد ASTM C187 غلظت نرمال سیمان هیدرولیکی با نسبت آب به سیمان 0.25 به دست آمد خمیر سیمان را درست کردیم، سپس براساس استاندارد ASTM زمان گیرش سیمان اندازه‌گیری شد و درصدهای مختلف از فوق روان‌کننده را به آن اضافه کردیم. جدول 2 مقادیر سیمان و آب و فوق روان‌کننده را برای آزمایش زمان گیرش سیمان نشان می‌دهد. تعداد نمونه‌ها برای زمان گیرش 16 می‌باشد.

آزمایش جریان سیمان هیدرولیکی

تهیه ملات: ملات سیمان طبق روش ارائه شده در ASTM C305 ساخته شد سپس با توجه استاندارد ملی ایران ISIRI 2930 برای کمترین درصد فوق روان کننده 12 درصد کاهش آب درنظر گرفته شد و بقیه درصدهای کاهش آب با آزمون و خطا به دست آمد که برای صحت سنجی آن آزمایش جریان ملات سیمان هیدرولیکی با توجه به استاندارد ASTM C1437 انجام شد. جدول 3 طرح مخلوط ملات سیمان برای آزمایش جریان ملات سیمان در حضور درصدهای مختلف فوق روان کننده نشان می‌دهد. تعداد نمونه‌ها برای جریان سیمان هیدرولیکی در مجموع 16 می‌باشد.

تعیین مقاومت فشاری ملات سیمان: این آزمایش طبق استاندارد ASTM C109 بر نمونه‌های مکعبی 50 میلیمتری در روزهای 7 و 28 انجام شده است. نسبت آب به سیمان 0.485 ثابت نگه داشته شده است. نمونه‌ها توسط جک هیدرولیکی کامپیوتری ساخت شرکت Toni Technic تست شده است. تعداد نمونه در هر مقاومت 3تا می‌باشد که در کل 48 تا نمونه برای این آزمایش ساخته شد. جدول 4 طرح مخلوط ملات سمیان برای آزمایش مقاومت فشاری نشان می‌دهد.

نتایج و بحث

زمان گیرش: زمان گیرش اولیه خمیر سیمان حاوی میناب حدود 30 دقیقه و زمان گیرش ثانویه حدود 45 دقیقه کاهش یافت (شکل3). با اضافه کردن فوق روان کننده زمان گیرش اولیه و ثانویه خمیر سیمان با آب و میناب به سمت جلو پیش رفت و هر چه مقدار فوق روان کننده بیشتر بود این زمان بیشتر بود. در مقایسه میناب و آب در حضور درصدهای مختلف فوق روان کننده می‌توان گفت در درصدهای 0.5 و 0.9 ابتدا اثر میناب عمل می‌کند و باعث کاهش گیرش سیمان شده است ولی با گذشت زمان این اثر از بین می‌رود و اثر فوق روان‌کننده جایگزین آن می‌شود. اما در درصد 1.4 درصد این قضیه برعکس شده و ابتدا فوق روان‌کننده عمل می‌کند، سپس با گذشت زمان میناب اثر می‌کند و باعث کاهش زمان گیرش می‌شود (شکل 6).

آزمایش مقاومت فشاری ملات سیمان: با توجه به طرح مخلوط ملات سیمان برای آزمایش مقاومت فشاری نتایج نشان داد که حضور میناب در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری 7 و 28 روزه ملات سیمان می‌گردد. همینطور ملات سیمان با میناب در حضور فوق روان کننده باعث افزایش مقاومت فشاری 7 و 28 روزه شده است. اما این افزایش مقاومت با گذشت زمان کمتر می‌شود (شکل 8). روند کسب مقاومت، مقاومت فشاری ملات حاوی میناب و آب معمولی در حضور درصدهای مختلف فوق روان کننده در شکل 9 نشان داده شده است.

نتیجه‌گیری

در این پژوهش به بررسی اثرات میناب و فوق روان کننده بر بتن، تعدادی نمونه با مشخصات گفته شده در این تحقیق ساخته شده که نتایج نشان می‌دهد میناب باعث کاهش زمان گیرش اولیه و ثانویه شده که این امر باعث می‌شود ملات سریعتر خود را بگیرد و سریعتر به مقاومت دست یابد که باعث افزایش مقاومت فشاری ملات در سنین اولیه شده است. این افزایش با مرور زمان کم می‌شود و اثر میناب کمتر به چشم می‌آید. همانطور که در نتایج پیداست در سن 7 روزه مقاومت فشاری ملات سیمان با میناب 16 درصد افزایش نسبت ملات سیمان با آب معمولی داشته است و این افزایش به 7 درصد در سن 28 روزه کاهش پیدا کرده است.

به دلیل گیرش سریع سیمان با میناب، کارایی و جریان ملات سیمان کاهش پیدا می‌کند که برای بهبود آن از فوق روان‌کننده استفاده شد که نتایج نشان داد بیشترین مقاومت فشاری بهینه در 0.5 درصد فوق روان کننده با افزایش 21 درصدی در سن 7 روزه و افزایش 10 درصدی در سن 28 مشاهده شد. در 0.9 درصد مقاومت فشاری در سن 7 روزه 18 درصد افزایش و در 28 روزه 7 درصد افزایش داشت و همینطور در 1.4 درصد مقاومت فشاری به دلیل کاهش شدید سیمان کمتر از حالت بدون فوق روان کننده شد و مقاومت فشاری آن ملات سیمان با میناب در سن 7 روزه 14 درصد افزایش و 28 روزه 5 درصد افزایش داشت. این کاهش مقاومت فشاری 28 روزه نسبت به مقاومت فشاری 7 روزه نشان می‌دهد که این افزایش مقاومت فشاری به مقدار سیمان هم بستگی دارد، هر چقدر سیمان کم باشد این افزایش کمتر بوده و در طی زمان سریعتر این افزایش، کاهش می‌یابد.

منبع: انجمن بتن ایران